Fracking – der Druck steigt
Im Gegensatz zu einer weitverbreiteten Annahme, handelt es sich bei Fracking nicht um einen Bohrvorgang. Dieses Verfahren, das im Anschluss an die Bohrung des Bohrlochs durchgeführt wird, umfasst eine Hochdruck-Injektion großer Flüssigkeitsmengen. Über die Bildung von Rissen in Speichergestein werden zusätzliche Wege freigelegt, welche eine erhöhte Extraktion von Kohlenwasserstoffen ermöglichen. Auch wenn diese Technik bis auf das Jahr 1930 zurückverfolgt werden kann, wurde das Fracking erst in den vergangenen 20 Jahren zunehmend bekannter. Das Fracking ist äußerst Umstritten, da Kritiker Risiken für die Umwelt anführen und Befürworter die wirtschaftlichen Vorteile hervorheben. Es überrascht nicht, dass dieses Verfahren zu umfangreicher Forschung angeregt hat, bei der die mathematische Modellierung des zugrundeliegenden physikalischen Prozesses eine bedeutende Rolle spielt. Die Erkenntnisse zeigten, dass es einen Bedarf für genauere Simulationen der Kopplung zwischen Bruchausbreitung und Flüssigkeitsverlauf gibt. Außerdem geht die grundlegende Wirkung dieser Forschung weit über den Fracking-Prozess hinaus. Das Phänomen tritt ebenfalls in anderen technologischen Prozessen auf (z. B. CO2-Abscheidung) und kann in der Natur beobachtet werden (Magmaintrusionen in der Erdkruste, subglaziale Ableitung von Wasser). Die Studie HYDROFRAC (Enhancing hydraulic fracturing on the basis of numerical simulation of coupled geomechanical, hydrodynamic and microseismic processes) nahm sich dieser Anforderung an. Im Laufe des 4-Jahres-Projekts entwickelten Forscher mathematische Modelle zu geomechanischen, hydrodynamischen und mikroseismischen Prozessen, um die Gestaltung besserer hydraulischer Brechverfahren zu unterstützen. Neue grundlegende Ergebnisse wurden im Zuge des Projekts hinsichtlich der Grundeigenschaften der jeweiligen mathematischen Modelle erzielt. Dies ermöglichte die Entwicklung hocheffizienter, flexibler und genauer Berechnungsalgorithmen. Die Leistung der 1D- bzw. 2D-Simulatoren wurde auf Grundalge dedizierter Maßstäbe verifiziert und mit den in der Literatur verfügbaren Daten verglichen. In einer allgemeinen Anordnung wurde die Bruchausbreitung unter Verwendung von 3D-Grenzelemementmodellen zu poroelastischen Medien in Kombination mit Finite-Differenz-Modellen für nicht-Newtonsche Flüssigkeitsströme verfolgt. Die HYDROFRAC-Forscher implementierten neue Methoden für das Lösen der Grenzintegralgleichungen. Unter anderem war eine Fast-Multipole-Methode dabei behilflich, schnellere Berechnungen mit einer besseren Genauigkeit zu erreichen. Ferner entwickelten Forscher einen dedizierten Computercode zur Simulation mikroseismischer Ereignisse, die durch Veränderungen lokaler Belastungen induziert werden. Die Mikroseismizität wurde durch die Anreicherung erster Risse mit Parametern zu einer vordefinierten statistischen Verteilung simuliert. Daten, die über simulierte Ereignisse gesammelt worden waren, wurden sorgfältig analysiert, um die Stärke und Stabilität der Risse im Verlauf der Zeit zu berechnen. Alle Codes wurden in enger Zusammenarbeit mit den industriellen Projektpartnern angepasst, um praktischen Anforderungen zu entsprechen. Insbesondere die synthetische Mikroseismizität wurde mit der Mikroseismizität verglichen, die während des hydraulischen Brechens beobachtet worden war, um die Eingabeparameter zu kalibrieren und die Modellierungsergebnisse zu verbessern. Die Modellparameter wurden zudem basierend auf dem prognostizierten Öl- und Gasaustritt mit dem vor Ort beobachteten Austritt verglichen. Das im Rahmen von HYDROFRAC erlangte Wissen wurde über Publikationen in Peer-Review- und Open-Access-Fachzeitschriften sowie über Präsentationen auf internationalen Konferenzen der wissenschaftlichen Community mitgeteilt.
Schlüsselbegriffe
Mathematische Modelle, hydraulisches Brechen, Kohlenwasserstoffe, HYDROFRAC, nicht-Newtonsche Flüssigkeit, Mikroseismizität
